Конструкционные и функциональные материалы: конструкционные материалы. Введение

ВВЕДЕНИЕ
Любой технический сплав должен обладать определенными механическими свойствами.
При синтезе конструкционных сплавов это требование главное и часто единственное. Поэтому приходится решать задачу о соотношении
прочности, пластичности и стоимости.
Все чаще ставится вопрос о создании сплавов минимальной стоимости при заданных прочности и пластичности.
К сожалению, методика расчета необходимой для данной конструкции пластичности отсутствует.
Приходится опираться на накопленный опыт и интуицию.

ВВЕДЕНИЕ
Упрочнение сплавов за счет регулирования состава может осуществляться:
растворением легирующих элементов в основе;
ограничением содержания вредных примесей;
образованием дисперсной фазы из легирующих
элементов путем термической обработки;
модифицированием.
Рассмотрим их последовательно

ВОЗДЕЙСТВИЕ РАСТВОРЕНИЕМ ЛЕГИРУЮЩИХ ДОБАВОК В ОСНОВЕ СПЛАВА И ОГРАНИЧЕНИЕМ ВРЕДНЫХ ПРИМЕСЕЙ
твердость HV;
временное сопротивление
разрыву σВ
(предел прочности);
предел текучести σ0,2;
Растворенные атомы могут изменить параметры кристаллической структуры основы. Легирование всегда повышает прочностные характеристики:
Диаграмма растяжения «деформация-напряжение»

ВОЗДЕЙСТВИЕ РАСТВОРЕНИЕМ ЛЕГИРУЮЩИХ ДОБАВОК В ОСНОВЕ СПЛАВА И ОГРАНИЧЕНИЕМ ВРЕДНЫХ ПРИМЕСЕЙ
предел упругости σУПР
(напряжение, при котором
остаточное удлинение
достигает заданной величины,
обычно 0,05 %, иногда
меньше – вплоть до 0,005 %);
предел пропорциональности
σПЦ (напряжение, которое
материал выдерживает без
отклонения от закона Гука
σ = Еε
Растворенные атомы могут изменить параметры кристаллической структуры основы. Легирование всегда повышает прочностные характеристики:
Диаграмма растяжения «деформация-напряжение»

ВОЗДЕЙСТВИЕ РАСТВОРЕНИЕМ ЛЕГИРУЮЩИХ ДОБАВОК В ОСНОВЕ СПЛАВА И ОГРАНИЧЕНИЕМ ВРЕДНЫХ ПРИМЕСЕЙ
Влияние состава на диаграмму состояния (а), прочность (б)
и пластичность (в):
1 − kr → 0; 2 − kr = 0,01 ÷ 0,1;
3 − kr → 1
Коэффициент распределения добавки в основе:
kr = α/β (α и β в ат. %)

ВОЗДЕЙСТВИЕ РАСТВОРЕНИЕМ ЛЕГИРУЮЩИХ ДОБАВОК В ОСНОВЕ СПЛАВА И ОГРАНИЧЕНИЕМ ВРЕДНЫХ ПРИМЕСЕЙ
в случае непрерывных растворов
она имеет форму параболы
с максимумом примерно
на середине ДСС
(концентрации элементов в ат. % !);
в области эвтектики зависимость
линейная; при этом направление
изменения прочности зависит от
свойств второго компонента:
оно может быть и нисходящим
и восходящим;
Зависимость прочности от концентрации растворяемой добавки носит нелинейный характер:
Влияние состава на диаграмму состояния (а), прочность (б) и пластичность (в):
1 − kr → 0; 2 − kr = 0,01 ÷ 0,1; 3 − kr → 1

ВОЗДЕЙСТВИЕ РАСТВОРЕНИЕМ ЛЕГИРУЮЩИХ ДОБАВОК В ОСНОВЕ СПЛАВА И ОГРАНИЧЕНИЕМ ВРЕДНЫХ ПРИМЕСЕЙ
в ограниченных растворах переход
от криволинейной ветви,
соответствующей раствору,
к прямолинейной, соответствущей
эвтектике, происходит на пределе
растворимости;
при небольших растворимостях
добавки ее влияние на прочность
сплава приближается к линейной.
Зависимость прочности от концентрации растворяемой добавки носит нелинейный характер:
Влияние состава на диаграмму состояния (а), прочность (б) и пластичность (в):
1 − kr → 0; 2 − kr = 0,01 ÷ 0,1; 3 − kr → 1

ВОЗДЕЙСТВИЕ РАСТВОРЕНИЕМ ЛЕГИРУЮЩИХ ДОБАВОК В ОСНОВЕ СПЛАВА И ОГРАНИЧЕНИЕМ ВРЕДНЫХ ПРИМЕСЕЙ
в подавляющем большинстве случаев при увеличении концентрации добавки пластичность резко падает (δр1);
в других случаях это падение менее резко (δр2);
редко, но иногда пластичность даже увеличивается (δр3).
Более сложной является зависимость пластичности от концентрации добавки:
Зависимость прочности (а) и пластичности (б) на пределе растворимости от критериев диаграмм состояния:
1 − kr → 0; 2 − kr = 0,01 ÷ 0,1; 3 − kr → 1

ВОЗДЕЙСТВИЕ РАСТВОРЕНИЕМ ЛЕГИРУЮЩИХ ДОБАВОК В ОСНОВЕ СПЛАВА И ОГРАНИЧЕНИЕМ ВРЕДНЫХ ПРИМЕСЕЙ
В изменении прочности решающую роль играет не природа элемента, а величина его предельной растворимости (в ат. %).
На кривой изменения прочности в зависимости от предельной растворимости видно:
при увеличении растворимости α все
элементы данной метасистемы
повышают прочность сплава
на пределе растворимости σр;
при малых α < 0,01 ат. % прочность
на пределе растворимости не
отличается от прочности основы;
Зависимость прочности (а) и пластичности (б) на пределе растворимости от критериев диаграмм состояния:
1 − kr → 0; 2 − kr = 0,01 ÷ 0,1; 3 − kr → 1

ВОЗДЕЙСТВИЕ РАСТВОРЕНИЕМ ЛЕГИРУЮЩИХ ДОБАВОК В ОСНОВЕ СПЛАВА И ОГРАНИЧЕНИЕМ ВРЕДНЫХ ПРИМЕСЕЙ
В изменении прочности решающую роль играет не природа элемента, а величина его предельной растворимости (в ат. %).
На кривой изменения прочности в зависимости от предельной растворимости видно:
при увеличении растворимости
α > 0,1 ат. % прочность на пределе
растворимости прогрессивно растет;
при α = 50 ат. % прочность достигает
максимума;
при α > 50 ат. % основой сплава
становится добавка.
Зависимость прочности (а) и пластичности (б) на пределе растворимости от критериев диаграмм состояния:
1 − kr → 0; 2 − kr = 0,01 ÷ 0,1; 3 − kr → 1

ВОЗДЕЙСТВИЕ РАСТВОРЕНИЕМ ЛЕГИРУЮЩИХ ДОБАВОК В ОСНОВЕ СПЛАВА И ОГРАНИЧЕНИЕМ ВРЕДНЫХ ПРИМЕСЕЙ
Пластичность зависит от 2-х критериев:
- предельной растворимости α,
- критерия распределения kr = α/β
(α и β в ат. %).
Зависимость прочности (а) и пластичности (б) на пределе растворимости от критериев диаграмм состояния:
1 − kr → 0; 2 − kr = 0,01 ÷ 0,1; 3 − kr → 1
При kr → 0 добавка при
кристаллизации концентрируется
по границам зерен.
При kr → 1 равномерно в теле
зерна.
При kr > 1 концентрация добавки
в центре зерна увеличивается,
а на его границах падает.

ВОЗДЕЙСТВИЕ РАСТВОРЕНИЕМ ЛЕГИРУЮЩИХ ДОБАВОК В ОСНОВЕ СПЛАВА И ОГРАНИЧЕНИЕМ ВРЕДНЫХ ПРИМЕСЕЙ
Пластичность зависит от 2-х критериев:
- предельной растворимости α,
- критерия распределения kr = α/β
(α и β в ат. %).
Зависимость прочности (а) и пластичности (б) на пределе растворимости от критериев диаграмм состояния:
1 − kr → 0; 2 − kr = 0,01 ÷ 0,1; 3 − kr → 1
При kr < 0,01 элемент является
вредной примесью. Такие элементы
обладают малой растворимостью, резко
снижают пластичность, а при повышенных
концентрациях снижают и прочность
(область 1).
При kr > 0,1 пластичность сохраняет
значение, близкое к пластичности основы.
При дальнейшем росте α пластичность
начинает снижаться
(область 2).

ВОЗДЕЙСТВИЕ РАСТВОРЕНИЕМ ЛЕГИРУЮЩИХ ДОБАВОК В ОСНОВЕ СПЛАВА И ОГРАНИЧЕНИЕМ ВРЕДНЫХ ПРИМЕСЕЙ
Пластичность зависит от 2-х критериев:
- предельной растворимости α,
- критерия распределения kr = α/β
(α и β в ат. %).
Зависимость прочности (а) и пластичности (б) на пределе растворимости от критериев диаграмм состояния:
1 − kr → 0; 2 − kr = 0,01 ÷ 0,1; 3 − kr → 1
Самый интересный случай
сочетание высокого kr (близкого
и даже больше 1) с небольшой α,
когда пластичность снова
возрастает. К сожалению,
такая комбинация
встречается редко.
Дальнейшее увеличение α даже
при высоком kr снижает
пластичность (область 3).

КЛАСИФИКАЦИЯ ЭЛЕМЕНТОВ В СПЛАВАХ
В зависимости от величин критериев α и kr химические элементы удобно разбить на 4 разряда.
Первый разряд. Основные легирующие элементы:
≥ 1, kr ≥ kr кр (ниже элементы − вредные примеси).
Эти элементы главные упрочнители и их можно вводить в единственном числе.
Второй разряд. Вспомогательные легирующие элементы:
= 0,01−1, kr ≥ kr кр
Это элементы, повышающие пластичность (пластификаторы, модификаторы).

КЛАСИФИКАЦИЯ ЭЛЕМЕНТОВ В СПЛАВАХ
В зависимости от величин критериев α и kr химические элементы удобно разбить на 4 разряда.
Третий разряд. Вредные примеси:
kr < kr кр, α любая, но не слишком малая
Четвертый разряд. Малорастворимые примеси:
< 0,01
При такой малой α коэффициент распределения kr не имеет большого значения. Реального влияния на механические свойства эти примеси не оказывают.

ВОЗДЕЙСТВИЕ ПУТЕМ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
Дисперсная фаза, выпадающая из пересыщенного твердого раствора при старении (3), повышает прочность и снижает пластичность по сравнению с режимами (1) и (2).
Влияние термической обработки на прочность и пластичность сплавов:
1 − закалка, 2 − отжиг,
3 − закалка + старение

ВОЗДЕЙСТВИЕ ПУТЕМ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
Эффективность термической обработки в случае закалка + старение выражается критерием термической обработки
= ab/cd.
Штриховой линией показана схема деформации ДСС при закалке.
Для сплава состава С0 при закалке высокотемпературное состояние фиксируется при нормальной температуре.
Определение критерия термической обработки при закалке. Штриховой линией показана деформация ДСС при закалке

ВОЗДЕЙСТВИЕ МОДИФИЦИРОВАНИЕМ
Модифицирование − введение в сплав небольших добавок (0,01−0,1 %) веществ, воздействующих на размеры и формы структурных составляющих, а через них на свойства сплава, следовательно, это можно считать разновидностью легирования.
По механизму воздействия на процесс кристаллизации различают два вида модифицирования:
инокуляция − образование искусственных центров
кристаллизации и барьеров на поверхности растущих
кристаллов, при этом округляется их форма, замедляется
рост и становятся меньше размеры;
лимитация вызывает округление структурных
составляющих, т.е. можно говорить о введении
сфероидизаторов.

ВОЗДЕЙСТВИЕ МОДИФИЦИРОВАНИЕМ
Для того, чтобы инокуляция была возможна, вводимые добавки должны иметь более высокую температуру плавления, чем сплав, и они должны быть устойчивы
в жидких металлах.
Например:
устойчивы в жидком Al (1000 °С)
TiC (3257 °С), ZrC (3530 °С), TiB2 (2790 °С), ZrB2 (3200 °С);
устойчивы в жидком Fe (стали) (1600 °С)
TiC (3257 °С), ZrB2 (3200 °С), TiN (2950 °С), TiB2 (2790 °С).

ВОЗДЕЙСТВИЕ МОДИФИЦИРОВАНИЕМ
Для того, чтобы лимитация была возможна, вводимые добавки должны следующими особенностями: достаточно малым kr в фазе, подлежащей
модифицированию;
должна быть пониженной и лежащей в определенных
пределах растворимость β в жидкой фазе основы
сплава, т.к. слишком малый критерий β не даст
возможности ввести элемент в сплав, а слишком
высокая β не даст возможности создать устойчивый
барьер.

ВЫБОР СОСТАВА СПЛАВОВ
1. МОНОЛЕГИРОВАННЫЕ СПЛАВЫ
Монолегированными сплавами называют такие, которые содержат кроме основы только один легирующий элемент и технологические примеси.
Это должен быть самый эффективный элемент из ряда легирующих добавок.
Пример:
простые силумины (Al-Si), двойные латуни (Cu-Zn), двойные бронзы (Cu-Sn), углеродистые стали (Fe-C + примеси Mn, Si) и т.п.
Но: современные тенденции развития таковы, что монолегированные сплавы используются все в меньших мастабах.

ВЫБОР СОСТАВА СПЛАВОВ
2. ЛЕГИРУЮЩИЕ КОМПЛЕКСЫ
Комплексным легированием называют одновременное введение в сплав нескольких легирующих элементов, т.е. это легирующий комплекс.
Целесообразность и необходимость комплексного легирования определяется:
1. Требованием одновременного обеспечения необходимого уровня нескольких свойств. Некоторые элементы, повышая одно свойство, снижают другие, уровень которых тоже должен быть обеспечен. Это требует решения компромиссных задач.
Пример:
а) обеспечение максимальной прочности конструкционного сплава при заданном уровне пластичности, вязкости и ограничения стоимости легирующих элементов;
б) повышение прочности проводникового сплава при минимальном, заданном значении электропроводности.

ВЫБОР СОСТАВА СПЛАВОВ
2. ЛЕГИРУЮЩИЕ КОМПЛЕКСЫ
Целесообразность и необходимость комплексного легирования определяется:
2. Необходимостью снижения отрицательных влияний на свойства сплава вредных примесей, которые трудно удалить металлургическими средствами.
Часто действенным способом подавления их влияния является введение добавок, образующие устойчивые тугоплавкие соединения с вредными примесями.
Пример: в стали для
а) связывания кислорода (раскисления) вводят Si, Mn, Al;
б) связывания серы вводят Mn, РЗМ.

ВЫБОР СОСТАВА СПЛАВОВ
2. ЛЕГИРУЮЩИЕ КОМПЛЕКСЫ
Целесообразность и необходимость комплексного легирования определяется:
3. Снижением отрицательных эффектов от введения некоторых весьма необходимых добавок.
Пример:
В стали добавляют не менее 13 мас.% Cr, чтобы она была коррозионно-стойкой.
Но при этом из-за формирования по границам зерен высокохромистых соединений (карбида Cr23C6, σ-фазы FeCr и др.) развивается межкристаллитная коррозия (МКК).
Добавки Ti, Nb связывают углерод в устойчивые карбиды типа МС, предотвращая МКК.

ВЫБОР СОСТАВА СПЛАВОВ
2. ЛЕГИРУЮЩИЕ КОМПЛЕКСЫ
Целесообразность и необходимость комплексного легирования определяется:
3. Изменением свойств сплава благодаря взаимодействию между собой и основой двух или более легирующих элементов.
Этот вид комплексного легирования наиболее интересен.
Рассмотрим его на примере анализа математической модели сплава:

ВЫБОР СОСТАВА СПЛАВОВ
2. ЛЕГИРУЮЩИЕ КОМПЛЕКСЫ
Пусть свойство сплава σ связано с концентрациями двух легирующих элементов х1 и х2 полиномом:
σ = b0 + b1х1 + b2х2 + b3х1х2,
где:
b0 − свойство основы сплава при х1 и х2 = 0 (b0 = σ);
b1 и b2 − коэффициенты единичного влияния элементов х1 и х2 на свойство сплава;
b3 − коэффициент совместного влияния добавок на свойство сплава.

ВЫБОР СОСТАВА СПЛАВОВ
2. ЛЕГИРУЮЩИЕ КОМПЛЕКСЫ
= b0 + b1х1 + b2х2 + b3х1х2
Возможны несколько случаев воздействия добавок на свойства сплава:
1. b1, b2, b3 = 0. Добавки не влияют на свойство сплава. Их введение нецелесообразно.
2. b3 = 0; b1 и b2 > 0. Каждый из 2-х элементов воздействует на свойство пропорционально своей концентрации независимо (аддитивно) друг от друга. Целесообразно вводить только одну добавку, обладающую большей эффективностью или дешевизной.

ВЫБОР СОСТАВА СПЛАВОВ
2. ЛЕГИРУЮЩИЕ КОМПЛЕКСЫ
= b0 + b1х1 + b2х2 + b3х1х2
Возможны несколько случаев воздействия добавок на свойства сплава:
3. b3 < 0; b1 и b2 > 0. Одновременное введение 2-х добавок взаимно ослабляют друг друга. Их не следует вводить совместно.
4. b1 >> b2 > b3. Одна из добавок действует значительно сильнее, чем другая. Совместный эффект их действия мал. Добавку х2 вводить нецелесообразно.

ВЫБОР СОСТАВА СПЛАВОВ
2. ЛЕГИРУЮЩИЕ КОМПЛЕКСЫ
= b0 + b1х1 + b2х2 + b3х1х2
Возможны несколько случаев воздействия добавок на свойства сплава:
5. b1 или b2 < 0; b3 < b1 и b2. Добавку, имеющую отрицательный коэффициент, явно нецелесообразно вводить.
6. b3 >> b1 и b2. Наиболее интересный случай. Эффект от совмествного влияния больше, чем сумма эффектов от введения каждой добавки по отдельности. Это эффект синергизма − добавки взаимно усиливают свое воздействие.

ОКОНЧАТЕЛЬНЫЙ ВЫБОР СОСТАВА СПЛАВА
После выбора легирующего комплекса и на основе ДСС установления допустимых пределов варьирования концентраций входящих элементов, необходимо определить окончательный оптимальный состав сплава.
Это проводят методами планирования эксперимента, включающими в себя:
составление программы эксперимента,
построение математической модели сплава,
подтверждение ее адекватности,
интерпретацию модели,
определение оптимального состава,
выбор допусков на химический состав.
После этого проводят производственную проверку сплава и следование работоспособности получаемых из него изделий путем опытной эксплуатации в натуре или на опытных стендах.
Другого пути, кроме прямых опытов для окончательного определения состава сплава, пока нет!